УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01G3/16 

Изобретение относится к области космонавтики, в частности, к конструкциям измерительных устройств. Определить массу объекта в условиях невесомости обычными "земными" методами практически невозможно. Это можно сделать лишь используя инерционные свойства тела, включенного в колебательный процесс. В качестве контролируемого параметра необходимо использовать такой параметр, который наиболее полно характеризует динамические свойства колебательной системы. При этом особенно важно обеспечить бесконтактность гармонических колебаний и их неизменность во времени при прочих равных граничных условиях.

Известна конструкция весоизмерительного устройства, содержащая грузоприемный механизм с подвижной платформой, индуктивный преобразователь, механизм установки нуля, выполненный в виде электромагнита, закрепленного на подвижной платформе и взаимодействующего с якорем, жестко связанным с сердечником индуктивного преобразователя, который снабжен подпружиненным упором, служащим для возвращения сердечника в исходное состояние /положение/ по окончанию взвешивания /1/.

Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения необходимой точности взвешивания.

Известно двухпредельное весоизмерительное устройство для отбраковки предметов по весу, содержащее установленную на консоли упругого устройства весовую платформу, связанную с подвижной частью индуктивного преобразователя, пусковой механизм в виде вибратора /2/. Конструкция весоизмерительного устройства позволяет измерять вес предметов по изменению частоты собственных колебаний упругого элемента с временно присоединенной к нему массой предмета путем сравнения логическим устройством частоты собственных колебаний упругой системы с заданными пределами частот.

Недостатком известного устройства является большая погрешность взвешивания при воздействии внешних факторов, таких, например, как раскачивание системы, отсутствие гравитации.

Наиболее близким по конструкции техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для испытания конструкции летательных аппаратов на усталостную прочность, содержащее вибровозбудитель, выполненный в виде двух электромагнитов, установленных фиксированно на кронштейне, симметрично ферромагнитной пластине, закрепленной на конструкции с помощью скобы, и электрически связанных с усилителем возбуждения, который соединен электрической цепью с выходами индукционного датчика и источника электрического тока. /3/.

Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является то, что при возбуждении колебаний находящийся в баках конструкции, например, в крыльевых топливных баках или скрытых полостях объекта, жидкий /или сыпучий/ наполнитель при совместных колебаниях конструкции и наполнителя, демпфирует основной тон колебаний конструкции и тем самым вносит большую погрешность в определении частоты собственных колебаний конструкции.

Целью изобретения является повышение точности измерения массы объекта по изменению частоты собственных колебаний динамической системы с временно присоединенной массой объекта путем устранения демпфирования частоты колебаний основного тона.

Указанная цель достигается тем, что известная конструкция устройства для определения массы объекта, преимущественно в условиях невесомости, содержащая вибровозбудитель, выполненный в виде двух электромагнитов, установленных фиксированно на кронштейне, симметрично ферромагнитной пластине, закрепленной на конструкции с помощью скобы, и электрически связанных с усилителем возбуждения, который соединен электрической цепью с выходами индукционного датчика и источника электрического тока, содержит корпус с крышками и механизмами перемещений последних, закрепленных симметрично на корпусе, размещенные в корпусе привод вращения и кинематически связанный с ним через муфту подвижный якорь, установленный в соосно расположенных опорах трения в крышках, и выполненный в виде штока с опорной площадкой и с упором на ней для пружин, каждая из которых надета на шток и упирается одним концом в опору трения внутри упора на опорной площадке, а другим в крышку, а шток подвижного якоря связан одним концом с ведущей полумуфтой привода и имеет возможность вращения вокруг своей оси и возвратно-поступательного движения вдоль оси вместе с закрепленными на нем на одном торце держателем с объектом контроля, а на другом ведомой полумуфтой и постоянным кольцевым магнитом, взаимодействующим с датчиком колебаний, при этом электровибраторы объединены в N блоков попарно и жестко закреплены на крышках симметрично относительно штока, на опорной площадке с обеих сторон закреплены ферромагнитные накладки, пружины предварительно обжаты, а опоры трения выполнены из материалов с низким коэффициентом трения.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемое устройство для определения массы объекта, преимущественно в условиях невесомости, отличается тем, что оно снабжено корпусом и находящимся в нем подвижным якорем, образующим с упругими элементами в виде пружин, динамическую систему, и кинематически связанным через муфту с приводом вращения якоря, системой изменения жесткости динамической системы, электровибраторами, объединенными в N блоков, расположенных симметрично относительно оси подвижного якоря с возможностью регулирования зазоров между собой в блоке и опорной площадкой якоря, опорами трения, выполненными из материалов с низким коэффициентом трения, при этом шток подвижного якоря связан с ведущей полумуфтой привода и имеет возможность вращения вокруг своей оси при возвратно-поступательном движении вдоль оси вместе с объектом контроля.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники не позволил выявить в них признаки, сходные с существенными отличительными признаками заявляемого решения, что дает возможность признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид устройства для определения массы объекта в разрезе в двух проекциях, на фиг. 2 представлена блок-схема устройства.

Устройство для определения массы объекта, преимущественно в условиях невесомости, содержит корпус 1, подвижные крышки 2 с кольцевыми отбортовками 3, служащими для исключения перекоса крышки 2 при перемещении внутри корпуса 1, и 4, служащими для установки опоры трения 5 и предотвращения поперечного перемещения пружин 6. К внутренней части крышек 2 симметрично, например, под углом 120^o, с помощью винтовых узлов крепления присоединены, по крайней мере, по три электромагнита 7, которые располагаются внутри корпуса 1 с осевым зазором относительно друг друга. В геометрическом центре крышек 2 соосно выполнены отверстия, через которые проходит шток 8 подвижного якоря с немагнитной опорной площадкой в виде диска 9. На опорной площадке 9 выполнены кольцевые отбортовки 10, служащие местом установки опор трения 5 и бронзовой шайбы 11, в которую упирается пружина 6. При этом поверхность шайбы 11 выполнены полированной, и при контакте с опорой трения, выполненной, например, из фторопласта, образуется узел трения с минимальным коэффициентом трения, постоянным во времени. На опорной площадке 9 с обеих сторон закреплены ферромагнитные кольцевые накладки 12. Шток 8 подвижного якоря проходит внутри пружин 6, а на его концах с натягом посажены бронзовые втулки 13, поверхность которых выполнена полированной для уменьшения трения с опорой трения 5. При этом на верхнем конце штока 8 закреплен держатель 14 для размещения на нем контролируемых объектов 15, а на нижнем немагнитный диск 16 с кольцевым магнитом 17 и специальной муфтой 18 /4/. К кронштейнам нижней крышки 2 прикреплено кольцо 19, на котором установлены индукционные датчики перемещений 20. К нижней части корпуса 1 крепится основание 21 с закрепленным на нем приводом вращения 22, в виде, например, электродвигателя. Подвижные крышки имеют узлы фиксации 23, к которым присоединены штоки 24 механизмов перемещения 25, закрепленных, в свою очередь, в узлах 26 на корпусе 1. Механизмы перемещений 25, например, в виде электромеханизмов МП-100 /или МП-200/, служат для изменения статистического сжатия пружин 6 и одновременного изменения зазора между электромагнитами 7 и ферромагнитными накладками 12 на опорной площадке 9. Опоры трения 5 предохраняются от выпадания посредством крышек 27, имеющих резьбовое соединение с отбортовками 4 крышек 2.

Устройство для определения массы объекта, преимущественно в условиях невесомости, работает следующим образом. Объект контроля 15 закрепляют на держателе 14 /узлы крепления условно не показаны/. Затем держателю 14 с закрепленным на нем объектом 15 сообщается импульс, который воспринимается через шток 8, с закрепленным на нем диском 16 с кольцевым магнитом 17, индукционными датчиками 20 при приближении к последним постоянного магнита 17. При этом в катушках датчика 20 наводится сигнал в виде э.д.с. индукции, который с выхода индукционного датчика 20 подается на вход усилителя возбуждения 28, где он усиливается и поочередно подается на электромагниты 7, например, в первый полупериод колебаний, на верхние /согласно схемы на фиг. 1/, которые, воздействуя возбуждающей электромагнитной силой P(t) на кольцевую ферромагнитную накладку 12 на опорной площадке 9, способствуют ее перемещению, а вместе с ней и штока 8 с объектом контроля 15, в направлении действия силы P(t). Перемещаясь, опорная площадка 9 сжимает нижнюю пружину 6, накапливая в ней энергию деформации. Достигнув равновесного положения, когда возбуждающая сила P(t) будет равна силе упругости пружин 6, подвижный якорь начнет возвращаться в первоначальное /исходное/ положение равновесия под действием сил упругости пружин 6. Обе пружины 6 имеют предварительную затяжку F₀, обеспечивающую максимально-возможный ход штока 8, без полного разжатия одной из них. Пройдя /по инерции/ положение равновесия, подвижный якорь под действием энергии, накопленной сжатой в первом полупериоде колебаний пружиной 6, будет совместно со штоком 8 перемещаться в обратном направлении. При этом э.д.с. в катушках индукционных датчиков 20 изменить знак на противоположный и после усиления в усилителе возбуждения 28 будет подаваться уже на другие электромагниты 7 /нижние по схеме фиг. 1/. Таким образом, возникают незатухающие механические колебания подвижного якоря с закрепленным на нем объектом контроля 15, с частотой собственных колебаний, обусловленной массой присоединенного груза в виде объекта 15, и заданному уровню жесткости динамической системы, установленному путем сжатия пружин 6 на некоторую величину. С помощью электронно-счетного частотомера 29 /фиг. 2/ производится замер частоты собственных колебаний системы "объект контроля подвижный якорь упругие элементы". Для увеличения точности определения массы контролируемого объекта 15, подвижные крышки 2 с помощью механизмов перемещения 25 сдвигаются на определенную, заранее выбранную величину, пружины 6 соответственно при этом сжимаются, увеличивая тем самым статическую жесткость C_i колебательной системы. При новом значении величины жесткости динамической системы C₂, при установившемся колебательном процессе, вновь замеряют частоту собственных колебаний и контрольную точку наносят, например, на тарировочный график зависимости частоты собственных колебаний от массы присоединенного груза и жесткости динамической системы f f /m, C/. Изменяя определенным образом /согласно эталонным величинам перемещений подвижных крышек 2 при получении тарировочного графика зависимости f f /m, C/ /жесткость динамической системы C и замеряя в каждом конкретном случае частоту собственных колебаний системы "объект контроля подвижный якорь упругие элементы", получают семейство контрольных точек fi, расположение которых на тарировочном графике зависимости f f /m, C/ может быть в двух вариантах:
когда контрольные точки располагаются на вертикали к координате m,
когда расположение контрольных точек fi не подчинено линейному закону распределения.

В первом случае объект контроля будет характеризоваться однородностью, и масса объекта будет соответствовать значению m_{фактич.} на координате m графика f f /m, C/. Во втором случае объект контроля будет характеризоваться неоднородностью, а именно, наличием в нем скрытых полостей, заполненных частично колеблющимися массами подвижного наполнителя, например, жидкостью, порошковыми материалами, отдельными мелкими предметами. Разброс контрольных точек при этом не позволяет точно определить массу объекта. Для исключения диссипативных сил колеблющегося наполнителя, влияющих на частоту колебаний основного тока, производят изменение жесткости динамической системы до первоначального уровня, и на уровне C₁ систему выводят на режим авторезонансных колебаний по вышеуказанной методике и, с помощью привода вращения 22 через специальную муфту /4/, состоящую из ведущей и ведомой полумуфт, обладающих между собой при зацеплении минимальным коэффициентом трения, сообщают вращение подвижному якорю с закрепленным на нем объектом контроля 15, с частотой вращения, обеспечивающей взаимоуничтожение центробежными силами диссипативных сил колеблющихся элементов, находящихся внутри объекта 15. Замеренная при этом с помощью частотомера 29 частота собственных колебаний в виде контрольной точки , наносится на тарировочный график. После этого, изменяя в том же порядке уровень жесткости динамической системы, в каждом конкретном случае замеряют частоту собственных колебаний при одновременном вращении подвижного якоря с закрепленным на нем объектом контроля и его возвратно-поступательного движения вдоль своей оси. Контрольные точки , (с учетом вращения) наносят на тарировочный график зависимости f f (m, C), анализируют их расположение, и если она подчинены линейному закону распределения по зависимости f f (m, C), то по вышеуказанной методике находят по координате m фактическую массу объекта контроля m_факт..

Выбор количества уровней жесткости C более двух, в сочетании с использованием центробежных сил, взаимодействующих на подвижный наполнитель в скрытых полостях объекта контроля, обеспечивает более точное определения массы объекта в любом состоянии последнего в любых условиях, включая условия отсутствия гравитации (в невесомости).

Источники информации.

1. А. С. СССР N 242443 от 1969 г. МКИ G 01 C 3/16.

2. А. С. СССР N 176697 от 1965 г. МКИ G 01 C 3/16 (аналог).

3. А. С. СССР N 733443 от 1980 г. МКИ G 01 M 7/00 (прототип).

4. Заявка на изобретение N 4882147/27/101747 от 15.10.1990 г. "Муфта для передачи сложного движения", на которую получено положительное решение ВНИИГПЭ от 22.08.91 г. "Компенсационная муфта" (новое название).

Использование: определение массы объектов в условиях невесомости. Сущность изобретения: устройство содержит вибровозбудитель, выполненный в виде двух электромагнитов, установленных фиксировано на кронштейне, симметрично ферромагнитной пластине, закрепленной на конструкции с помощью скобы, и электрически связанных с усилителем возбуждения, который соединен электрической цепью с выходами индукционного датчика и источника электрического тока, корпус с крышками и механизмами перемещений последних, размещенными в корпусе приводом вращения и кинематически связанным с ним подвижным якорем, установленным в соосно расположенных опорах трения в крышках, и выполненными в виде штока с опорной площадкой и с упором на ней для пружин, каждая из которых надета на шток и упирается одним концом в опорную площадку, а другим - в крышку, при этом шток одним концом связан с ведущей полумуфтой привода, а на другом закреплен держатель с объектом контроля, вибровозбудители объединены не менее чем в три блока электромагнитов попарно, пружины предварительно обжаты, а опоры трения выполнены из материала с низким коэффициентом трения. 2 ил.

Устройство для определения массы объекта, содержащее вибровозбудитель, выполненный в виде двух электромагнитов, установленных фиксированно на корпусе, симметрично ферромагнитной пластине, закрепленной на объекте с помощью держателя, и электрически связанных с усилителем возбуждения, который соединен электрической цепью с выходами индукционного датчика и источника электрического тока, отличающееся тем, что оно содержит корпус с крышками и механизмами перемещения последних, закрепленных симметрично на корпусе, размещенные в корпусе привод вращения и кинематически связанный с ним через муфту подвижный якорь, установленный в соосно расположенных опорах трения в крышках и выполненный в виде штока с опорной площадкой и с упором на ней для пружин, каждая из которых надета на шток и упирается одним концом в опору трения внутри упора на опорной площадке, а другим в крышку, а шток подвижного якоря связан одним концом с ведущей полумуфтой привода и имеет возможностью вращения вокруг своей оси и возвратно-поступательного движения вдоль оси вместе с закрепленными на нем на одном торце держателем с объектом контроля, а на другом ведомой полумуфтой и постоянным кольцевым магнитом, взаимодействующим с датчиком колебаний, при этом основной и дополнительные вибровозбудители объединены не менее, чем в три блока электромагнитов попарно, и жестко закреплены на крышках симметрично относительно штока, на опорной площадке с обеих сторон закреплены ферромагнитные накладки, пружины предварительно обжаты, а опоры трения выполнены из материалов с низким коэффициентом трения.